大化肥裝置沖刷腐蝕分析研究

王錫海

(重慶建峰化工股份有限公司 重慶 408601)

1 沖刷腐蝕概述

沖刷腐蝕是一種常見的自然現象，比如河水中常見的鵝卵石，屋檐下帶洞的石板等，都是沖刷腐蝕的結果。成語“水滴石穿”就很好地反映了沖刷腐蝕現象?！皼_刷”體現著流體對障礙物表面的物理作用，而“腐蝕”則體現著流體對障礙物的化學作用。

“水滴石穿”從物理作用方面解釋是，當水從高處滴下，重力勢能轉化為動能，沖擊石頭，對石頭表面做功。雖然水滴做的功很小，但隨著時間流逝，石頭表面開始形成凹陷，繼而最終把石頭滴穿?！八问睆幕瘜W作用方面解釋是，空氣中的二氧化碳溶于水，在石頭局部表面形成碳酸，與石頭中的碳酸鈣發生下列化學反應：

CO2+H2O+CaCO3→Ca(HCO3)2

反應生成的碳酸氫鈣易溶于水，造成石頭表面逐漸被溶解，形成對石頭的化學腐蝕。如果空氣中含有二氧化硫，形成的酸雨對石頭的化學腐蝕會更嚴重[1]。

從這個意義上講，沖刷腐蝕體現了流體對障礙物的物理和化學聯合作用，單純的物理和化學作用都不構成沖刷腐蝕。在石油化工行業，沖刷腐蝕表現為金屬表面與腐蝕流體之間由于相對運動引起的設備及管道破壞、損傷。

2 沖刷腐蝕的影響因素

沖刷腐蝕主要是針對流體約束物來講。沖刷腐蝕的主體是流體，包括液體和氣體，沖刷腐蝕的客體是約束流體的物體，一般為固體。自然界存在的雨水、河流就是沖刷腐蝕的主體，而道路、溝渠、橋梁、河岸等就是沖刷腐蝕的客體。在工業化生產中，各種工藝介質是沖刷腐蝕的主體，而管道、容器、設備等是沖刷腐蝕的客體。隨著材料性能的改善，客體耐沖刷腐蝕能力逐漸提高，如泥沙、水泥、鋼材的耐沖刷腐蝕性能越來越高。沖刷腐蝕的影響因素，實際上是指流體對約束物的影響因素，主要包括以下幾個方面[2]。

2.1 流速

根據物體動量定理，流速越快，對流體約束物的物理沖擊作用越強，造成分子鍵斷裂而剝離的分子越多，在流體的化學作用下，造成的腐蝕越快。一般來說，流速與沖刷腐蝕成正向關系。

2.2 流態

流體流態有層流和湍流，層流對流體約束物幾乎不產生沖刷，而湍流對流體約束物會產生二次回流等流態，嚴重沖刷流體約束物。湍流在高流速邊界及設施、設備管道截面突變和流體流向突變處產生，設備設施的破壞也多發生在這些地方。

2.3 流相

流體流相一般為氣相或液相，固相一般存在于氣相或液相中。純單相的流體在現實生活中是比較少見的，更多的是氣相和液相的混合體，偶爾流體里夾雜不溶物，形成三相混合體。實踐證明：在相同條件下，單一流相流體對流體約束物的影響最小，其次是氣液兩相混合體，三相混合體對流體約束物的沖刷腐蝕最大，且能使流體臨界流速下降。

2.4 流體的腐蝕性

腐蝕是流體對約束物的一種化學反應，腐蝕性是指流體對約束物發生化學反應的強弱性能。常見的腐蝕流體有硫酸、硝酸、氫氯酸、氫溴酸、氫碘酸、高氯酸等，化工生產中的腐蝕流體還有各種堿液、甲銨液、尿液等。生產實踐證明：流體的腐蝕性越強，對同一種約束物的腐蝕越嚴重，造成的沖刷腐蝕越大；不同溫度下，流體的腐蝕性也有所不同，所以選擇約束物材料還要考慮流體運行時的溫度。

由于空氣中氧和二氧化碳的存在，流體對約束物的腐蝕或多或少會發生，而沖刷對腐蝕會起到加速推進的作用。沖刷對腐蝕的加速作用體現在：一是促進去極化劑(如氧)到達金屬表面和腐蝕產物從表面離開；二是高速流引起的切應力和壓應力使表面膜減薄、破裂，形成局部差變電池；三是保護膜局部剝離，露出新鮮基體，在孔洞處形成電偶腐蝕。

2.5 流體約束物材料的耐蝕性能

流體約束物的材料很多，自然界的泥土、砂石、木頭等都是流體約束物，隨著科技進步，鋼鐵、塑料、玻璃、水泥等成了主要的流體約束物。一般來說，隨著材料硬度的提高，約束物的耐沖刷性能也在提高；但由于材料的化學特性不同，流體在各種約束物中的腐蝕表現也不一樣，并不以材料的硬度為耐蝕性指標。玻璃、塑料等材料的耐酸堿能力強，但塑性強度低，不耐高溫；鋼鐵中的碳鋼材料不耐酸堿腐蝕，但強度高，耐高溫。隨著材料科學的發展，不銹鋼、雙相鋼、有色金屬和重金屬等耐蝕材料不斷涌現，其耐蝕性能也不斷得到提高。圖1為碳鋼和不銹鋼的二氧化碳腐蝕速率曲線，很明顯，不銹鋼的耐蝕性能遠優于碳鋼。

圖1 碳鋼和不銹鋼腐蝕速率曲線

在相同的外部條件下，碳鋼的二氧化碳年腐蝕速率大于2.5 mm，而不銹鋼的二氧化碳年腐蝕速率小于0.2 mm。隨著冶金技術的成熟和耐蝕成本的下降，不銹鋼等耐蝕材料得到了越來越多的應用，為工業生產的安全、穩定運行起到了良好的促進作用。

2.6 設備設施的結構影響

設備設施結構對流體沖刷的影響主要表現在3個方面。

(1)結構變向形成流體直接沖刷。流體在約束物中的流動沿直線阻力最小，當流體在設備設施中突然改變直向流動時，由于慣性作用，流體會直接沖擊變向的約束物內壁，加速此處的沖刷腐蝕。變向結構見圖2，主要為生產裝置中常用的彎頭、三通、Y形管件等。

圖2 變向結構

圖3 孔板流體的二次回流

(2)設備流通截面突變形成的二次回流見圖3。二次回流一方面造成設備效能下降，另一方面會加速流體對約束物的沖刷，造成約束物損傷或破壞，使用壽命縮短。流通截面突變在生產中表現得比較多的是管道中的調節閥、流量孔板等。

(3)約束物表面存在的不光滑缺陷加速流體湍動。不光滑缺陷主要表現為壁面小坑、線坑、凸點等，這些缺陷一方面是在制造中產生的，另一方面是由于局部腐蝕剝離后產生的。流體在微坑中流動時首先會加速流體的湍動，隨著時間的延長，微坑逐漸變大形成小坑，產生二次回流，加速約束物壁面的損壞。

3 大化肥裝置的運行特點

3.1 介質流速大

大化肥裝置將原料天然氣轉化為氫氣/氮氣，進一步合成為氨氣，再與二氧化碳反應生成尿素，是一個持續的生產過程。在此過程中，各種介質處于不停的流動狀態，由于輸送壓差大，介質在設備、管道內的流速普遍為70～80 m/s，最高接近120 m/s，造成設備、管道長期處于高度沖刷狀態[3]。

3.2 混相流多

大化肥裝置中的流動介質種類很多，但流相主要是液體和氣體，由于設備、管道固體殘渣及腐蝕剝離，且流體在各壓力狀態下的沸點、凝點、閃點不同，嚴格來說沒有絕對的單相流，絕大多數流動介質都為兩相流或三相流，對設備、管道的沖刷腐蝕影響非常大。

3.3 介質腐蝕性強

大化肥裝置中的流動介質，除合成氨裝置的原料天然氣、空氣、氫氣/氮氣、氣氨、液氨、蒸汽、蒸汽冷凝液、水等物質腐蝕性較弱外，裝置中的二氧化碳、甲銨液等是強腐蝕性介質，對設備、管道的材料耐蝕要求非常高。

3.4 管路控制元件多

大化肥裝置的反應壓力、溫度非常高，在介質的流轉過程中，壓力、流量控制元件非常多，如各種調節閥、泄壓孔板、流量孔板等，管道內存在大量的二次回流，嚴重沖刷設備和管道內壁。同時裝置的緊湊布置和不同設備標高使用了大量彎頭、三通等變向管路元件，造成這些管路元件直接受到流體沖刷。

3.5 設備結構設計影響因素多

大化肥裝置的設備設計，除滿足強度和使用功能外，介質的腐蝕性也是必須考慮的因素之一，特別是尿素裝置的設備，一般采取的防腐蝕措施是增設耐蝕復合層或耐腐蝕襯里。而對于管殼式換熱器的設計，管側和殼側介質的選擇對于設備的結構設計、材料選用影響非常大；很多時候，不管腐蝕介質走管側還是殼側，都不可能完全避免沖刷腐蝕。

3.6 設備設施選材與投資的矛盾

大化肥裝置是一個龐大的系統工程，涉及的投資非常大，要在技術可行與投資效益最優化下進行設計，對于設備、管道的選材就要量力而行。盡管隨著技術進步，不銹鋼等耐蝕材料價格已有所下降，但不銹鋼比碳鋼依然還有4～5倍的價差，裝置全部或大部分設備、管道選用不銹鋼，需要的投資較大，因此碳鋼仍是主要的選材之一，如裝置的汽包、蒸汽管道、蒸汽冷凝液管道等幾乎全部選用碳鋼材料，這給裝置后期因沖刷腐蝕造成的運行維護帶來成本壓力。

4 大化肥裝置的沖刷腐蝕狀況

基于大化肥裝置的運行特點，新裝置從運行開始就受到介質沖刷腐蝕影響，最快在2年內就會因沖刷腐蝕出現管道泄漏。裝置的日常維護工作50%以上是處理沖刷腐蝕的漏點，而更嚴重的沖刷腐蝕往往造成設備效能下降，甚至形成不可逆破壞，造成安全事故，引起裝置停車，產生巨大的經濟損失。大化肥裝置的沖刷腐蝕狀況主要如下。

4.1 管道彎頭普遍存在沖刷腐蝕減薄穿孔

由于受到流體變向的直接沖刷，管道彎頭是大化肥裝置運行最薄弱的環節之一，裝置最早的泄漏也往往從受到沖刷腐蝕的彎頭穿孔開始。高壓、高流速以及腐蝕性流體對彎頭的沖刷，會很快造成彎頭的內壁面脫落，隨著沖刷的持續進行，彎頭最終減薄穿孔。

同時，彎頭焊縫由于焊肉凹凸產生二次回流，以及焊縫區熱應力殘留、組織晶粒粗大，耐蝕性降低，也易出現沖刷腐蝕泄漏。

4.2 汽提塔分布管的沖刷腐蝕造成設備效率下降

汽提塔是尿素高壓圈分離濃縮尿素的關鍵設備，無論是氨汽提工藝還是二氧化碳汽提工藝，分布管都是影響分離效率的核心內件。受工藝流體，特別是高壓甲銨液的沖刷腐蝕，分布管存在嚴重的沖刷腐蝕。

沖刷腐蝕造成兩個后果：一是熱影響區形成線狀缺口，影響流體的下液狀態；二是分布管進液孔擴大，影響流體在列管中的成膜，降低分離效率。

4.3 池式冷凝器管板孔的沖刷腐蝕危及設備安全

池式冷凝器是斯塔米卡邦二氧化碳汽提法尿素工藝的關鍵設備，與斯那姆氨汽提法尿素工藝不同的是，工藝介質流經設備的殼側，而產生蒸汽的冷凝液流經管側，為避免列管與管板的間隙腐蝕，列管與管板采用了如圖4所示的深孔焊專利技術。

圖4 列管深孔焊示意圖

深孔焊是將管板的耐蝕堆焊層加工成管頭，與列管進行對接焊的一種焊接工藝，列管本身不穿透管板，列管和管板形成不了間隙，消除了間隙腐蝕；由于列管不穿透管板，列管對管板孔的保護套作用也就失去了，管板孔受到了管側冷凝液及蒸汽的直接沖刷腐蝕，管板孔逐漸剝離變大，形成了一種不可逆轉的破壞。

重慶建峰化工股份有限公司尿素裝置自2012年投入運行以來，池式冷凝器受管側蒸汽的沖刷腐蝕，管板孔明顯擴大，出口端管板孔最小孔徑Φ21.20 mm，最大孔徑Φ23.40 mm，平均孔徑Φ22.46 mm，其中孔徑Φ23.10～23.40 mm的管板孔占比3.09%；進口端管板最小孔徑Φ21. 30 mm，最大孔徑Φ23.00 mm，平均孔徑Φ22.04 mm，其中孔徑Φ22.50～23.00 mm的管板孔占比2.82%。隨著管板孔的擴大，沖刷腐蝕有加速擴展的趨勢。

更為嚴重的是隨著管板孔的擴大，管板孔之間的“管橋”逐漸剝離形成空洞，使管板的承壓作用消失，一旦殼側的高壓甲銨液泄漏進入管側，會造成嚴重的設備安全事故。某化肥企業池式冷凝器管板孔的沖刷貫穿腐蝕情況見圖5。

圖5 池式冷凝器管板孔的沖刷貫穿腐蝕

管板孔的沖刷貫穿腐蝕會造成設備的整體報廢，直接經濟損失將高達近億元。

4.4 真空分離器內件的沖刷腐蝕造成水解系統出液不達標

真空分離器是濃縮尿素的主要設備(見圖6)，其主要特點是在分離器的下端布置了尿液預熱器，在分離器內設計了倒傘狀的流體反射板。尿液經預熱器加熱后自下而上形成液膜狀向上飛灑，經過反射板后，濃縮尿素溶液從分離器的下部流出，分離出的氣體通過噴射器從分離器的上部抽至水解系統進行分解回收。

圖6 真空分離器

運行時，反射板受到尿液和分離氣的直接沖刷，又因為尿液中含有腐蝕性物質甲銨，分離器內件常受到沖刷腐蝕破壞。分離器內件被沖刷腐蝕后，大量的尿素進入水解系統，造成水解出液不合格，系統被迫停車檢修。

4.5 二氧化碳的沖刷腐蝕使分離器效率下降

合成尿素需要將二氧化碳壓力提高至15 MPa左右，二氧化碳壓縮機一般設計為雙缸四段，為了控制溫度，在壓縮機段與段之間設計了冷卻器和分離器。運行時，分離器內的除沫鋼絲網受到二氧化碳水汽的沖刷腐蝕，絲徑變小，孔隙率增大，造成二氧化碳水汽分離效率下降，致使大量含水的二氧化碳進入壓縮機，引起壓縮機的二氧化碳沖刷腐蝕。

重慶建峰化工股份有限公司二氧化碳壓縮機低壓缸沖刷腐蝕情況見圖7。壓縮機低壓缸隔板和缸體流道遭到嚴重的二氧化碳沖刷腐蝕破壞，改變了壓縮機運行時的流體動力特性，造成流體旋轉失速，引起轉子振動聯鎖跳車。同時二氧化碳腐蝕降低了缸體的承載能力，產生了嚴重的設備安全隱患，影響裝置的安穩長滿優運行。

圖7 二氧化碳壓縮機低壓缸沖刷腐蝕情況

4.6 驅動流體的沖刷腐蝕使透平效率下降

大化肥大機組的驅動，空壓機采用的是燃氣透平，其余壓縮機采用的是蒸汽透平。不管是燃氣透平還是蒸汽透平，驅動流體都是通過噴嘴射流做功。盡管流體的腐蝕性不強，但噴嘴在高流速下受到的沖刷也非常嚴重(見圖8)。噴嘴的沖刷腐蝕產生的設備安全事故雖然不大，但驅動流體做功效率下降，必然導致消耗增加，累積的經濟損失也非常大。

圖8 透平噴嘴的沖刷腐蝕

5 沖刷腐蝕研究的目的及措施

5.1 沖刷腐蝕研究的目的

沖刷腐蝕是流體流動的必然現象，只要有流動，就會有沖刷，而不同流體的化學特性對約束物會產生或強或弱的化學腐蝕，隨著時間延長，對設備、管道會產生破壞性后果。沖刷腐蝕研究的目的就是通過材料改進、結構改進、布置改進等措施提高裝置設備、管道的耐沖刷腐蝕性能，最終達到延長設備、管件的使用壽命，降低生產成本的目的[4]。

5.2 提高防沖刷腐蝕的措施

大化肥裝置的沖刷腐蝕，對具體設備、管件的破壞往往是多種因素的綜合結果，提高設備的防沖刷腐蝕，應根據具體的使用條件因地制宜地進行分析處理。針對整個裝置，可采用以下提高防沖刷腐蝕的措施。

5.2.1 合理的設計布置

流體的縮口射流會加速設備管件的沖刷腐蝕，大化肥裝置的調節閥及孔板是產生射流的主要場所，裝置的沖刷腐蝕泄漏點也主要發生在調節閥或孔板處的彎頭焊縫或彎頭本體上。避免流體射流影響的措施就是在設計時，合理布置調節閥或孔板，應在調節閥或孔板后至少保留3～5倍管徑的直管段，避免噴射流直接沖刷管件。

5.2.2 適當增大壁厚

流體的沖刷腐蝕是一個過程，在沖刷腐蝕速率一定的情況下，器壁越厚，從開始腐蝕到出現泄漏的時間就越長。設計時，應適當考慮增大易受沖刷的設備管道的壁厚，如調節閥、孔板后的大小頭，承受變向流的彎頭，可以選用壓力等級高一級的材質來增大壁厚；承受嚴重沖刷腐蝕的換熱器列管，可以選用高一等級或定制加厚的換熱管來延長使用壽命。

5.2.3 增加耐蝕材料使用

在建設資金充足的情況下，一些使用碳鋼的蒸汽或冷凝液管優先選用不銹鋼等耐蝕材料，受沖刷腐蝕的塔設備盡量選用不銹鋼復合層，二氧化碳壓縮機缸體、隔板全部采用不銹鋼襯里，池式冷凝器管板孔設計加工時增設不銹鋼管襯里等，這些措施都可以提高耐流體沖刷腐蝕的能力。盡管建設資金高一些，但將極大地降低投運后的維護費用和停車風險。

5.2.4 定期檢測

堅持定期對設備進行檢查、檢測。利用裝置大修、中修等機會，對設備進行全面的檢查，特別是對沖刷腐蝕的檢查、檢測，發現問題及時處理，可避免因沖刷腐蝕擴大而發生設備安全事故和系統突發的停車損失。

6 結語

依據在長期的生產活動中對大化肥裝置的沖刷腐蝕研究積累的經驗，雖然有效控制了系統因沖刷腐蝕造成的維護費用浪費和停車損失，但流體的高速、高壓和腐蝕性使設備遭受的沖刷腐蝕仍長期存在，采用新技術、新材料、新工藝、新設備，可在短期內延緩設備的損壞，卻不能避免設備的長期受損。因此，找到一個安全可行、經濟效益可取的解決方案，是設備管理人員的重要任務。